Formule Fisherove projekcije. Praktični vodič za hemiju Fisherova strukturna formula

Supstance koje mogu rotirati ravan polarizacije svjetlosti koja prolazi kroz njih nazivaju se optički aktivna. Sama ova pojava se zove optička aktivnost. Optički aktivne tvari postoje u obliku parova optički antipodi ili enantiomeri, koji se razlikuju (pod jednakim ostalim stvarima - ista koncentracija, ista dužina putanje svjetlosnog snopa u tvari) u znaku rotacije ravni polarizacije svjetlosti.

Molekule optički aktivnih supstanci imaju svojstvo kiralnost- enantiomeri se međusobno odnose kao original i njegova zrcalna slika (nekompatibilno u bilo kojoj rotaciji). Najčešće, da bi došlo do kiralnosti, neophodno je prisustvo u molekulu. chiral atom ugljika ( chiral ili asimetrično centar) - u stanju sp 3 hibridizacije i ima četiri različita supstituenta:

Ekvimolarna mješavina enantiomera nema optičku aktivnost. Ova mješavina se zove racemska smjesa ili racemate.

Ako molekul sadrži nekoliko kiralnih centara, vrlo ga je teško prikazati u projekciji sličnoj prethodnoj slici. U ovom slučaju se koriste projekcijske formule E. Fišera.

Broj stereoizomera u slučaju nekoliko kiralnih centara može se odrediti formulom 2n, gdje je n broj kiralnih atoma ugljika. U slučaju aldotetroza, koje imaju dva kiralna centra, postoje 4 stereoizomera:

Molekuli 1 i 2, 3 i 4 su enantiomeri. Molekuli 2 i 4, 1 i 3, 2 i 3 nisu enantiomeri, ali ipak su stereoizomeri.

Stereoizomeri koji nisu enantiomeri se nazivaju dijastereomeri.

Diastereomeri se razlikuju po hemijskim i fizičkim svojstvima i mogu se razdvojiti konvencionalnim hemijskim metodama.

Broj stereoizomera može biti manji od 2 n ako postoji mezoforme. Mezo oblik se javlja ako molekul ima unutrašnje ravni simetrije. Na primjer, vinska kiselina ima tri stereoizomera:

Ako su izomeri 1 i 2 par enantiomera, onda su 3 i 4 ista stvar - molekul ima unutrašnju ravan simetrije, prikazanu isprekidanom linijom. Mezo oblik je u suštini intramolekularni racemat. Zaista, gornji dio 3 (iznad isprekidane linije) je zrcalna slika donjeg dijela. Optička aktivnost meso form nema.

Nomenklatura optičkih izomera

Prve tvari za koje je otkriven i proučavan fenomen optičke izomerije bili su ugljikohidrati i aminokiseline. Stoga se historijski razvilo da se stereoizomeri ovih spojeva određuju pripadnosti jednoj ili drugoj steričkoj seriji i eritro-treo izomerima. Za veze drugih klasa koristite koncept apsolutno konfiguracija kiralnog centra.

Formule Fischerove projekcije

Fischerove formule su jedan od načina da se prikaže trodimenzionalna struktura kiralnog centra na ravni. Uzmimo par enantiomera i konstruirajmo Fischerovu projekciju za desnoruki molekul:

Odaberimo smjer iz kojeg ćemo razmatrati molekulu - to je prikazano strelicom:

U ovom slučaju, veze C-A i C-E su usmjerene prema nama, one su, u skladu s pravilima pisanja Fisherove formule, prikazane vodoravnom linijom. C-B i C-D veze su usmjerene od nas i predstavljene su vertikalnom linijom. Kao rezultat, Fisherova projekcija će izgledati kao (1):

Trenutno su i vertikalne i horizontalne linije prikazane kao čvrste, atom ugljika nije nacrtan - presjek linija implicira kiralni centar, kao rezultat toga, projekcija (2) je općenito prihvaćena.

Ako razmotrimo isti molekul s druge strane, možemo dobiti još jednu Fischerovu projekciju:

Općenito, dvanaest Fischerovih projekcija može se nacrtati za dati molekul. Da bi se dobijene projekcije međusobno uporedile, potrebno je uzeti u obzir da Fisherove projekcije dozvoljavaju niz transformacija na sebi.

Transformacije koje čuvaju originalnu formulu

1. Parni broj permutacija. Pod preuređivanjem podrazumijevamo razmjenu mjesta bilo koja dva supstituenta. Na primjer, u formuli 2b prvo možete promijeniti D i A (prva permutacija), a zatim E i D (koje sada stoji umjesto A) - ovo će biti druga permutacija, kao rezultat 2b se transformira u 2. Primjetno je da se radi o istoj stvari.

2. Rotirajte projekciju u ravni crtanja za 180, 360, 540, itd. stepeni:

3. Ciklično preuređivanje: ostavite jedan supstituent (bilo koji) na mjestu, preostala tri preuredite u krug - u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu. Ova operacija je ekvivalentna dvije permutacije, ali ponekad se ispostavi da je zgodnija.

Transformacije koje dovode do enantiomera

1. Neparan broj permutacija - zamijenite D i E - jedna permutacija, uz pomoć ogledala prikazanog vertikalnom isprekidanom linijom lako je provjeriti da se radi o enantiomeri.

2. Rotirajte u ravni crteža za 90, 270, 450, itd. stepeni. Zarotirajmo 2b 90o u smjeru suprotnom od kazaljke na satu:

U rezultujućoj formuli napravićemo paran broj permutacija - zamenićemo B i E, A i D. Upoređujući 2b i ono što se desilo, vidimo da je ovo enantiomer.

3. Odraz u ogledalu ili gledanje u svjetlost.

Standardna Fischerova projekcija

U standardnoj notaciji Fischerove projekcije, glavni lanac ili ciklus je prikazan kao vertikalna linija, a numeracija atoma ugljika (IUPAC) u lancu ide od vrha do dna.

Ove formule se obično koriste za prostorni prikaz molekula koji sadrže asimetrični atom ugljika : ovo je tetraedar ( sp 3-hibridni) atom ugljika vezan za četiri različita atoma ili grupe atoma.

Da bi se prikazala formula za projekciju, tetraedarski model molekule je postavljen tako da je asimetrični atom u ravnini crteža, a dvije veze iz asimetričnog atoma ugljika leže u horizontalnoj ravnini koja strši prema promatraču iz ravnine crteža. . Druge dvije veze treba da budu smještene u vertikalnoj ravni koja se proteže od posmatrača izvan ravnine crtanja.

Kada se koriste Fischerove projekcije, simbol za asimetrični atom ugljika obično se izostavlja:

Uvijek treba uzeti u obzir da su Fisherove formule projekcije na ravan i da ih ne treba smatrati prostornim modelima.

Stoga se moraju poštovati sljedeća pravila:

formula za projekciju koja odgovara određenom stereoizomeru ne može se ukloniti iz ravni crteža i ne može se rotirati u ravnini za 90 o i 270 o;

formula se može rotirati za 180°

Ako se položaj jedne atomske grupe ne promijeni, onda se ostale tri mogu rotirati u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu:

4.2. Optička aktivnost* i kiralnost

Optička aktivnost se odnosi na svojstvo, sposobnost supstance da rotira (odstupa za određeni ugao) ravninu polarizovane svetlosti.

Rotacija ravni polarizacije odvija se u smjeru kazaljke na satu (desna rotacija) ili suprotno od kazaljke na satu (lijeva rotacija).

Za spoj koji sadrži jedan asimetrični atom ugljika moguća su dva izomera, koji su međusobno povezani kao predmet i njegova zrcalna slika, što se može vidjeti na primjeru mliječne kiseline.

Dva izomera, od kojih je svaki zrcalna slika drugog, nazivaju se optički ili zrcalni izomeri .

Takav par zrcalnih izomera naziva se enantiomeri ili optički antipodi .

Enantiomeri imaju ista fizička svojstva, osim smjera rotacije ravni polarizacije: odbijaju polariziranu svjetlost pod istim uglom, ali u suprotnim smjerovima.

Spojevi koji nisu u skladu sa svojom slikom u ogledalu nazivaju se chiral .

Kiralnost (od cheir - ruka) je osnovni koncept stereohemije, koji označava svojstvo objekta da bude nekompatibilan sa njegovom slikom u ogledalu; je preduslov za optičku aktivnost molekula.

Smjesa tvari koja se sastoji od jednakih količina oba enantiomera naziva se racemska smjesa . Optička aktivnost takve mješavine je 0.

Stereoizomeri koji nisu enantiomeri se nazivaju dijastereomeri (za detalje pogledajte dolje, odjeljak 4.4.).

Dakle, svi kiralni molekuli su molekuli optički aktivnih spojeva.

Postoji korespondencija jedan-na-jedan između kiralnosti i optičke aktivnosti. Karakteristična karakteristika kiralnih molekula je odsustvo ose, centra i ravni simetrije, koji su elemente simetrije .

Osa simetrije. Ako rotacija oko ose koja prolazi kroz molekul pod uglom od 2π/n=360 o/n ponovo ga dovede u prvobitno stanje, tada se takva os naziva osa simetrije n-tog reda S n . Jasno je da sa vrijednošću n=1, u svakom slučaju, rotacija oko ose vraća molekul u prvobitno stanje.

Na primjer, molekula vode (a) ima os simetrije drugog reda (n=2), klorometan (b) ima treći red, a u benzenu (c) zajedno sa šest osa koje se nalaze u ravni ciklusa (n =2), postoji još jedna osa (n=6), koja je okomita na ravan ciklusa.

Ravan simetrije. Ako ravan koja prolazi kroz molekulu (objekt) podijeli ga na dva dijela, međusobno povezana kao zrcalni izomeri, tada se naziva ravan simetrije . Voda ima dvije ravni simetrije, a klorometan tri.

Centar simetrije i- ovo je tačka u centru molekula, na jednakoj udaljenosti od koje se na istoj pravoj liniji nalaze dvije ekvivalentne, ekvivalentne tačke datog molekula.

Molekul ne može imati više od jednog centra simetrije.

Dakle, sa stanovišta prisutnosti ili odsustva elemenata simetrije u molekulima, uobičajeno je govoriti o kiralnost I ahralnost . U većini slučajeva, njihovo značenje poklapa se s pojmovima „asimetrija“ i „simetrija“. Međutim, kiralnost je mnogo širi koncept od asimetrije, budući da kiralna molekula može sadržavati neke elemente simetrije. Iz istog razloga, u stereohemiji, izraz “asimetrični” atom se vrlo često zamjenjuje terminom “centar kiralnosti”. Stoga, kiralnost treba shvatiti kao svojstvo objekta da bude nekompatibilan sa njegovom slikom u ogledalu. Akiralni molekul sadrži najmanje jedan element simetrije (ili centar ili ravan simetrije). Poseban slučaj ahalnosti je kiralnost: sposobnost, svojstvo ahiralne molekule da se transformiše u kiralnu kroz jednokratnu promenu u jednom strukturnom fragmentu. U pravilu je takva operacija moguća ako postoji prohiralni centar – odnosno centar koji sadrži dva različita i dva identična supstituenta. Zamjena jednog od ovih identičnih supstituenata drugim, drugačijim od svih postojećih, pretvara ovaj centar u kiralni:

Konfiguracija i konformacija

Stereoizomeri mogu varirati konfiguracije (konfiguracijski izomeri) ili konformacije (konformacioni izomeri).

Konfiguracija– prostorni raspored atoma i/ili atomskih grupa oko kiralnog centra, ravni dvostruke veze ili ravni prstena i karakterizira određeni stereoizomer. Ovaj koncept je uglavnom kvalitativne prirode i u suštini odražava stereohemijsku osobinu specifičnog rasporeda atoma u prostoru oko kiralnog centra date molekule.

Parovi spojeva koji su konfiguracijski izomeri prikazani su u nastavku:

konformacija*- određena geometrija molekula, zbog unutrašnje rotacije atoma ili atomskih grupa oko jednostavnih veza. U ovom slučaju, stereohemijska konfiguracija molekula ostaje nepromijenjena.

Newmanove projekcije se koriste za prikaz konformacija. Za etan su moguće dvije granične konformacije: pomračena (I) i inhibirana (II).

Butan se razlikuje od etana po prisustvu dvije metilne grupe, pa je zbog toga moguć veći broj inhibiranih konformacija za ovaj molekul, kao što je prikazano u nastavku. Stabilnija konformacija I označava se kao anti-: ovdje su metilne grupe što dalje jedna od druge (diedralni ugao je 180o). Druge dvije konformacije su koso ili na drugi način gauche konformacije (II i III), u kojima metilne grupe formiraju ugao od 60°:

3. Formule Fisherove projekcije

Za prikaz molekula s asimetričnim atomima ugljika na i-ravni, često se koriste projekcije koje je u 18E1 predložio E. Fischer.

Razmotrimo princip njihove konstrukcije na primjeru molekule bromofluoroklorometana. Polazna tačka za konstruisanje Fischeoa projekcija je prostorni model molekule ili njena klinasta projekcija.
Postavimo molekulu tako da samo atom ugljika molekule bromofluoroklorometana ostane u ravnini crteža, kao što je prikazano na slici:

Projektujmo sve atome na ravan crtanja (Br i CL odozdo prema gore, pošto se nalaze ispod ravnine crtanja, a F i H odozgo prema dole). Kako bi se rezultirajuća projekcija razlikovala od strukturne formule, slažemo se da ne prikazujemo asimetrični atom ugljika. On implicirano u Fisherovoj projekciji na presjeku vertikalnih i horizontalnih linija:

Kao što se može vidjeti iz gornjeg primjera, Fischerova projekcija je konstruirana na način da su veze asimetričnog atoma sa supstituentima prikazane vertikalnim i horizontalnim (ali ne nagnutim!) linijama.

Kada koristite Fisherove projekcije, važno je zapamtiti da okomita linija u njima prikazuje veze koje se udaljavaju od nas, a vodoravna linija prikazuje veze usmjerene prema nama . Ovo dovodi do sljedećih pravila za korištenje Fischerovih projekcija:

Navedene operacije sa Fischerovim projekcijama se ne mogu izvoditi, jer dovode do antipodne projekcije.

Primjeri.
a) Parni broj parnih permutacija. Zamijenimo položaje atoma F i CI, Br i H u molekuli bromofluoroklorometana:

b) Kružno preuređenje tri supstituenta. Izvršimo kružno preuređenje atoma halogena. Ostavljamo atom vodonika netaknutim:

Prilikom konstruiranja formula Fischer projekcije za molekule koje sadrže nekoliko atoma ugljika, molekula se postavlja tako da je ugljikov lanac raspoređen okomito. Postavljen na vrhu najviše oksidira atom ugljika (po pravilu, ovaj atom je dio karbonil CH=O ili karboksilne COOH grupe):

IV. R,S - Nomenklatura stereoizomera.

Budući da enantiomeri imaju različite apsolutne konfiguracije, ova razlika mora biti izražena u njihovim nazivima. Najčešći pristup za nomenklaturu stereosomera su predložili R. Cahn, C. Ingold i V. Prelog (R.S.Cahn, C.Ingold, V.Prelog, Angew.Chem. (1966), B.78, S.413-447, V. Prelog, G. Helmehen, Angew. Chem (1982), B.94, S.614-631). Njihov pristup se zasniva na takozvanom pravilu sekvence, prema kojem supstituenti na asimetričnom atomu dodjeljuje se različiti staž. Zatim se razmatra smjer u kojem se senioritet supstituenata smanjuje za određenu orijentaciju molekula u odnosu na posmatrača. Ovisno o tome kako prioritet pada (kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu), konfiguracija centra kiralnosti označava se kao R ili S.

1.Principi R,S-nomenklature

Razmotrimo glavne faze postupka imenovanja apsolutne konfiguracije na primjeru enantiomera bromofluoroklorometana (12) i (13).
Prva faza je odrediti red prioriteta supstituenata na asimetričnom atomu.

Starost izotopa datog elementa raste sa povećanjem njihovog masenog broja.
U skladu s tim, imamo sljedeći redoslijed prioriteta supstituenata u molekulama bromofluoroklorometana:

Br>CI>F>H

Najviši zamjenik će biti označen slovom a, a sljedeći po starješini slovom b itd. (to jest, tokom tranzicije a b c d prioritet se smanjuje):

Druga faza. Postavljamo molekulu na takav način da se najniži supstituent ukloni od posmatrača (u ovom slučaju će biti zaklonjen atomom ugljika) i razmatramo molekulu duž ose veze ugljika sa najnižim supstituentom:

Treća faza. Odredite u kom pravcu FALLS staž poslanika koji su u našem vidnom polju. Ako se pad senioriteta dogodi u smjeru kazaljke na satu, označavamo ga slovom R (od latinskog "rectus" desno). Ako staž pada u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, tada se konfiguracija označava slovom S (od latinskog "zlokobnog" - lijevo).

Postoji i mnemoničko pravilo prema kojem se smanjenje senioriteta supstituenata u R-izomeru događa u istom smjeru u kojem je napisan vrh slova R, a u S-izomeru - u istom smjeru u kojem se na vrhu slova S je napisano:

Sada možemo napisati puna imena enantiomera, koji jasno ukazuju na njihovu apsolutnu konfiguraciju:

Treba naglasiti da oznaka konfiguracije sterzoizomera kao R ili S zavisi od reda prvenstva sva četiri supstituenta na asimetričnom atomu. Dakle, u dolje prikazanim molekulima, prostorni raspored atoma F, CI i Br u odnosu na X grupu je isti:

U navedenim primjerima ne možemo govoriti o konverziji apsolutna konfiguracija, budući da polazno jedinjenje i produkt reakcije nisu izomeri (vidi gore, str. 20). U isto vrijeme, transformacija jednog enantiomera u drugi je preokret apsolutne konfiguracije:

WITH Među organskim jedinjenjima postoje tvari koje mogu rotirati ravan polarizacije svjetlosti. Ovaj fenomen se naziva optička aktivnost, a odgovarajuće supstance jesu optički aktivna. Optički aktivne supstance se javljaju u paru optički antipodi- izomeri, čija su fizička i hemijska svojstva ista u normalnim uslovima, sa izuzetkom jedne stvari - znaka rotacije ravni polarizacije: jedan od optičkih antipoda skreće ravan polarizacije udesno (+, desnorotirajući izomer), drugi lijevo (-, levorotacijski).

Optička izomerija se pojavljuje kada molekula sadrži asimetrični atom ugljika. Ovo je naziv za atom ugljika vezan za četiri različita supstituenta. Moguća su dva tetraedarska rasporeda supstituenata oko asimetričnog atoma. Oba prostorna oblika ne mogu se kombinovati nikakvom rotacijom; jedan od njih je zrcalna slika drugog.

Tip izomerizma koji se razmatra naziva se optički izomerizam , izomerizam ogledala ili enantiomerizam . Oba oblika ogledala čine par optičkih antipoda ili enantiomeri .
Broj prostornih izomera određen je Fischerovom formulom N = 2 n, gdje je n broj asimetričnih centara.

Projekcione formule

Da biste konvencionalno prikazali asimetrični atom na ravni, koristite projekcijske formule E. Fishera. Dobivaju se projektiranjem na ravan atoma s kojima je asimetrični atom povezan. U ovom slučaju, sam asimetrični atom se obično izostavlja, zadržavajući samo linije koje se seku i simbole supstituenta. Da bi se zapamtio prostorni raspored supstituenata, u projekcijskim formulama se često čuva isprekidana vertikalna linija (gornji i donji supstituenti se uklanjaju izvan ravnine crteža), ali to se često ne radi. Ispod su različiti načini za pisanje formule za projekciju koja odgovara lijevom modelu na prethodnoj slici:

Evo nekoliko primjera formula za projekciju:

Nazivi supstanci pokazuju znakove njihove rotacije. To znači, na primjer, da lijevoruki antipod butanola-2 ima prostornu konfiguraciju izraženu upravo gornjom formulom, a njegova zrcalna slika odgovara desnorukom butanolu-2. Konfiguracija optičkih antipoda određena je eksperimentalno.

Smjesa koja se sastoji od jednakih količina oba antipoda naziva se racemate. Optički je neaktivan i ima odlične vrijednosti fizičkih konstanti.

U principu, svaki optički antipod se može prikazati sa dvanaest (!) različitih projekcijskih formula - ovisno o tome kako se model nalazi prilikom konstruiranja projekcije, s koje strane ga gledamo. Za standardizaciju projekcijskih formula uvedena su određena pravila za njihovo pisanje. Dakle, glavna funkcija, ako je na kraju lanca, obično se postavlja na vrh, glavni lanac je prikazan okomito.

Pravila za pretvaranje projekcijskih formula:

1. Formule se mogu rotirati za 180° u ravni crteža bez promjene njihovog stereohemijskog značenja:

2. Dva (ili bilo koji paran broj) preuređivanja supstituenata na jednom asimetričnom atomu ne mijenjaju stereohemijsko značenje formule:

3. Jedna (ili bilo koji neparan broj) permutacija supstituenata u asimetričnom centru dovodi do formule za optički antipod:

4. Rotacija za 90° u ravni crtanja pretvara formulu u antipod, osim ako se istovremeno ne promeni uslov za lokaciju supstituenata u odnosu na ravan crtanja, tj. nemojte uzeti u obzir da se sada bočni supstituenti nalaze iza ravnine crtanja, a gornji i donji ispred nje. Ako koristite formulu s isprekidanom linijom, tada će vas promijenjena orijentacija isprekidane linije direktno podsjetiti na ovo:

5. Umjesto permutacija, projekcijske formule se mogu transformirati rotiranjem bilo koja tri supstituenta u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu; četvrti supstituent ne mijenja svoj položaj (ova operacija je ekvivalentna dvama preustrojima):

6. Projekcione formule se ne mogu izvesti iz ravni crteža.

Druge vrste optički aktivnih supstanci

Ovaj odjeljak navodi neke druge klase organskih spojeva koji također pokazuju optičku aktivnost (tj. postoje kao parovi optičkih antipoda).

Ugljikov atom nema monopol na stvaranje kiralnih centara u molekulima organskih spojeva. Centar kiralnosti također mogu biti atomi silicija, kositra i tetrakovalentnog dušika u kvaternarnim amonijevim solima i tercijarnim amin oksidima:

U ovim spojevima, centar asimetrije ima tetraedarsku konfiguraciju, poput asimetričnog atoma ugljika. Postoje, međutim, i spojevi s različitom prostornom strukturom kiralnog centra.

piramidalni konfiguracija su kiralni centri formirani od atoma trovalentnog dušika, fosfora, arsena, antimona i sumpora. U principu, centar asimetrije se može smatrati tetraedarskim ako se usamljeni elektronski par heteroatoma uzme kao četvrti supstituent:

Može se javiti i optička aktivnost bez kiralnog centra, zbog kiralnosti strukture cijele molekule u cjelini ( molekularna kiralnost ili molekularna asimetrija ). Najtipičniji primjeri su prisustvo kiralna os ili kiralna ravan .

Kiralna os se pojavljuje, na primjer, u alenima koji sadrže različite supstituente na sp 2-hibridnih atoma ugljika. Lako je uočiti da su jedinjenja u nastavku nekompatibilne zrcalne slike, a samim tim i optički antipodi:

Druga klasa spojeva koji imaju kiralnu os su optički aktivni bifenili, koji imaju ortho-položaji imaju glomazne supstituente koji ometaju slobodnu rotaciju oko C-C veze koja povezuje benzenske prstenove:

Kiralni plan karakteriše ga činjenica da se može razlikovati između "gore" i "dole", kao i "desne" i "lijeve" strane. Primjer spojeva s kiralnom ravninom je optički aktivna trans- ciklookten i optički aktivni derivat ferocena:

Diastereomerism

Jedinjenja sa nekoliko asimetričnih atoma imaju važne karakteristike koje ih razlikuju od prethodno razmatranih jednostavnijih optički aktivnih supstanci sa jednim centrom asimetrije.

Pretpostavimo da u molekulu određene supstance postoje dva asimetrična atoma; označimo ih uslovno sa A i B. Lako je vidjeti da su moguće molekule sa sljedećim kombinacijama (N = 2 2 = 4):

Molekuli 1 i 2 su par optičkih antipoda; isto važi i za par molekula 3 i 4. Ako uporedimo molekule iz različitih parova antipoda - 1 i 3, 1 i 4, 2 i 3, 2 i 4 - međusobno, onda ćemo videti da su navedeni parovi nisu optički antipodi: konfiguracija jednog asimetričnog atoma je ista, konfiguracija drugog nije ista. Ovo su parovi dijastereomeri , tj. prostorni izomeri, Ne koji međusobno čine optičke antipode.

Dijastereomeri se međusobno razlikuju ne samo po optičkoj rotaciji, već i po svim drugim fizičkim konstantama: imaju različite tačke topljenja i ključanja, različite rastvorljivosti itd. Razlike u svojstvima dijastereomera često nisu manje od razlika u svojstvima između strukturnih izomera. .

Primjer jedinjenja ovog tipa bi bila kloromalna kiselina (2 različita kiralna centra):

Njegovi stereoizomerni oblici imaju sljedeće projekcijske formule:

eritro-forme

treo-forme

Naslovi erythro- I trio- potiču od naziva ugljikohidrata eritroza i treoza. Ovi nazivi se koriste za označavanje relativnog položaja supstituenata u jedinjenjima sa dva asimetrična atoma: erythro -izomeri su oni kod kojih se dva identična bočna supstituenta pojavljuju u formuli standardne projekcije na jednoj strani (desno ili lijevo, dva kraja slova E); trio -izomeri imaju identične bočne supstituente na različitim stranama projekcijske formule. Dva eritro- izomeri su par optičkih antipoda; kada se pomešaju, formira se racemat. Par optičkih izomera su i tro- forme; oni također proizvode racemat kada se miješaju, koji se po svojstvima razlikuje od racemata eritro- forme. Dakle, postoje ukupno četiri optički aktivna izomera kloromalne kiseline i dva racemata.

Broj stereoizomera može se smanjiti zbog djelomične simetrije koja se pojavljuje u nekim strukturama. Primjer je vinska kiselina, u kojoj je broj pojedinačnih stereoizomera smanjen na tri. Njihove formule za projekciju:

III

Formula I je identična formuli Ia, jer se u nju pretvara kada se rotira za 180° u ravnini crteža i stoga ne predstavlja novi stereoizomer. Ova optički neaktivna modifikacija se zove meso form . Sve optički aktivne supstance imaju mezo-oblike sa nekoliko identičnih (tj. povezanih sa identičnim supstituentima) asimetričnih centara. Projekcione formule mezo-oblika uvijek se mogu prepoznati po tome što se mogu podijeliti vodoravnom linijom na dvije polovine, koje su, kada su napisane na papiru, formalno identične, a u stvarnosti se ogledaju (ravan unutrašnje simetrije):

Formule II i III prikazuju optičke antipode vinske kiseline; kada se pomiješaju, nastaje optički neaktivan racemat - grožđana kiselina.

Nomenklatura optičkih izomera

Najjednostavniji, najstariji, ali i dalje u upotrebi sistem nomenklature optičkih antipoda zasniva se na poređenju projekcijske formule nazvanog antipoda sa projekcijskom formulom određene standardne supstance izabrane kao „ključ“. Dakle, za α-hidroksi kiseline i α-amino kiseline, ključ je gornji dio njihove projekcijske formule (u standardnoj notaciji):

Konfiguracija svih α-hidroksi kiselina koje imaju hidroksilnu grupu na lijevoj strani u standardnoj pisanoj formuli Fischerove projekcije označena je znakom L; ako se hidroksil nalazi u formuli projekcije na desnoj strani - znak D

Ključ za označavanje konfiguracije spojeva je gliceraldehid:

U molekulima šećera oznaka D- ili L- odnosi se na konfiguraciju niže asimetrično središte.

Sistem D-,L- oznaka ima značajne nedostatke: prvo, oznaka D- ili L- označava konfiguraciju samo jednog asimetričnog atoma; drugo, za neka jedinjenja dobijaju se različiti simboli, u zavisnosti od toga da li se kao ključ uzima gliceraldehidni ili hidroksikiselinski ključ, na primer:

Ovi nedostaci ključnog sistema ograničavaju njegovu upotrebu trenutno na tri klase optički aktivnih supstanci: šećere, aminokiseline i hidroksi kiseline. Dizajniran za opću upotrebu R,S-sistem Kahn, Ingold i Prelog.

Da bi se odredila R- ili S-konfiguracija optičkog antipoda, potrebno je rasporediti tetraedar supstituenata oko asimetričnog atoma ugljika na način da najniži supstituent (obično vodik) ima pravac „daleko od posmatrača“. Ako dođe do kretanja tokom tranzicije u krugu tri preostala zamjenika od najstarijeg do srednjeg po stažu, a zatim do najmlađeg u smjeru suprotnom od kazaljke na satu - Ovo S -izomer (povezan sa istim pokretom ruke prilikom pisanja slova S), ako u smjeru kazaljke na satu - Ovo R- izomer (povezan sa pokretom ruke prilikom pisanja slova R).

Za određivanje senioriteta supstituenata na asimetričnom atomu koriste se pravila za izračunavanje atomskih brojeva o kojima smo već govorili u vezi sa Z,E nomenklaturom geometrijskih izomera.

Za odabir R, S-notacija prema formuli projekcije potrebno je parnim brojem permutacija (koje, kao što znamo, ne mijenjaju stereokemijsko značenje formule), rasporediti supstituente tako da najmlađi od oni (obično vodonik) su na dnu formule za projekciju. Tada senioritet preostala tri supstituenta, koji pada u smjeru kazaljke na satu, odgovara oznaci R, suprotno od kazaljke na satu - oznaci S:

II.1. Konformacije (rotacioni izomerizam)

Prijelaz sa najjednostavnijeg organskog ugljovodonika, metana, na njegov najbliži homolog, etan, postavlja probleme prostorne strukture, za čije rješenje nije dovoljno poznavati parametre o kojima se govori u odjeljku. U stvari, bez promjene uglova veze ili dužine veze, može se zamisliti mnogo geometrijskih oblika molekula etana, koji se međusobno razlikuju po međusobnoj rotaciji ugljikovih tetraedara oko C-C veze koja ih povezuje. Kao rezultat ove rotacije, rotacijski izomeri (konformeri) . Energija različitih konformera nije ista, ali energetska barijera koja razdvaja različite rotacijske izomere je mala za većinu organskih spojeva. Stoga je u normalnim uvjetima, po pravilu, nemoguće fiksirati molekule u jednoj strogo definiranoj konformaciji: obično nekoliko rotacijskih oblika koji se lako transformiraju jedan u drugi koegzistiraju u ravnoteži.

Metode za grafički prikaz konformacija i njihove nomenklature su sljedeće. Počnimo s molekulom etana. Za njega se može predvidjeti postojanje dvije konformacije koje se maksimalno razlikuju po energiji. Oni su prikazani ispod kao perspektivne projekcije (1) („pilanske koze“), bočne projekcije (2) i Newmanove formule (3).

U perspektivnoj projekciji (1a, 1b), C-C veza se mora zamisliti kako ide u daljinu; Atom ugljika s lijeve strane je blizu posmatrača, a atom ugljika s desne strane je dalje od njega.

U bočnoj projekciji (2a, 2b), četiri H-atoma leže u ravni crteža; Atomi ugljika se zapravo donekle šire izvan ove ravni, ali se obično pojednostavljeno smatra da također leže u ravnini crteža. “Podebljane” veze u obliku klina zadebljanjem klina ukazuju na izlazak iz ravni prema posmatraču atoma prema kojem je zadebljanje okrenuto. Isprekidane veze u obliku klina označavaju udaljenost od posmatrača.

U Newmanovoj projekciji (3a, 3b), molekul se razmatra duž C-C veze (u smjeru označenom strelicom u formulama 1a, b). Tri linije koje se razilaze pod uglom od 120° od središta kruga ukazuju na veze atoma ugljenika koji je najbliži posmatraču; linije koje „izbijaju“ iza kruga su veze udaljenog atoma ugljika.

Konformacija prikazana na lijevoj strani se zove zatamnjen : Ovaj naziv nas podsjeća da su atomi vodonika obje CH 3 grupe jedan naspram drugog. Pomračena konformacija ima povećanu unutrašnju energiju i stoga je nepovoljna. Konformacija prikazana na desnoj strani se zove inhibirano , što implicira da je slobodna rotacija oko C-C veze „inhibirana“ u ovoj poziciji, tj. molekul postoji pretežno u ovoj konformaciji.

Minimalna energija potrebna za potpunu rotaciju molekula oko određene veze naziva se barijera rotacije za ovu vezu. Barijera rotacije u molekulu poput etana može se izraziti u smislu promjene potencijalne energije molekula kao funkcije promjene diedarski (torzioni) ugao sistemima. Diedarski ugao (označen kao tau) prikazan je na donjoj slici:

Energetski profil rotacije oko C-C veze u etanu prikazan je na sljedećoj slici. Rotacija "stražnjeg" atoma ugljika je prikazana promjenom diedralnog ugla između dva prikazana atoma vodika. Radi jednostavnosti, preostali atomi vodika su izostavljeni. Barijera rotacije koja razdvaja dva oblika etana je samo 3 kcal/mol (12,6 kJ/mol). Minimum krivulje potencijalne energije odgovara inhibiranim konformacijama, a maksimumi okludiranim konformacijama. Kako na sobnoj temperaturi energija nekih molekularnih sudara može dostići 20 kcal/mol (oko 80 kJ/mol), ova barijera od 12,6 kJ/mol se lako savladava i rotacija u etanu se smatra slobodnom.

Naglašavamo da svaka tačka na krivulji potencijalne energije odgovara specifičnoj konformaciji. Tačke koje odgovaraju minimumima odgovaraju konformacionim izomerima, tj prevladavajuće komponente u mješavini svih mogućih konformacija .

Kako molekula postaje složenija, povećava se broj mogućih konformacija koje se značajno razlikuju u energiji. Da, za n-butan se već može prikazati u šest konformacija, koje se razlikuju po relativnom rasporedu CH 3 grupa, tj. rotacija oko centralnog priključka C-C. U nastavku su konformacije n-butana prikazane kao Newmanove projekcije. Konformacije prikazane lijevo (osenčene) su energetski nepovoljne, samo one inhibirane se praktično realizuju.

Različite pomračene i inhibirane konformacije butana nisu iste u energiji. Odgovarajuće energije svih konformacija formiranih tokom rotacije oko centralne C-C veze su prikazane u nastavku:

Kako molekula postaje složenija, broj mogućih konformacija se povećava.

Dakle, konformacije su različiti neidentični prostorni oblici molekula koji imaju određenu konfiguraciju. Konformeri su stereoizomerne strukture koje su u mobilnoj ravnoteži i sposobne su za međukonverziju rotacijom oko jednostavnih veza.

Ponekad barijera takvim transformacijama postaje dovoljno visoka da odvoji stereoizomerne oblike (primjer: optički aktivni bifenili;). U takvim slučajevima više se ne govori o konformerima, već o stvarno postojećim stereoizomeri .

II.2. Geometrijski izomerizam

Važna posljedica krutosti dvostruke veze (odsustvo rotacije oko nje) je postojanje geometrijski izomeri . Najčešći od njih su cis-trans izomeri spojevi serije etilena koji sadrže nejednake supstituente na nezasićenim atomima. Najjednostavniji primjer su izomeri butena-2.

Geometrijski izomeri imaju istu hemijsku strukturu (isti red hemijskih veza), razlikuju se po prostornom rasporedu atoma, u konfiguracije . Ova razlika stvara razliku u fizičkim (kao i hemijskim) svojstvima. Geometrijski izomeri, za razliku od konformera, mogu se izolovati u čistom obliku i postojati kao pojedinačne, stabilne supstance. Za njihovu međusobnu transformaciju obično je potrebna energija reda 125-170 kJ/mol (30-40 kcal/mol). Ova energija se može prenijeti zagrijavanjem ili zračenjem.

U najjednostavnijim slučajevima, nomenklatura geometrijskih izomera ne predstavlja nikakve poteškoće: cis- oblici su geometrijski izomeri u kojima identični supstituenti leže na istoj strani ravni pi veze, trans- izomeri imaju identične supstituente na različitim stranama ravni pi veze. U složenijim slučajevima se koristi Z,E-nomenklatura . Njegov glavni princip: naznačiti konfiguraciju cis-(Z, od njemačkog Zusammen - zajedno) ili trans-(E, od njemačkog Entgegen - nasuprot) lokacija viši zamjenici sa dvostrukom vezom.

U sistemu Z,E, supstituenti sa većim atomskim brojem smatraju se starijim. Ako su atomi koji su direktno povezani s nezasićenim ugljicima isti, onda prelaze na "drugi sloj", ako je potrebno - na "treći sloj" itd.

Razmotrimo primjenu pravila Z,E-nomenklature na dva primjera.

Počnimo od formule I, gdje sve rješavaju atomi „prvog sloja“. Nakon što smo rasporedili njihove atomske brojeve, nalazimo da su stariji supstituenti svakog para (brom u gornjem dijelu formule i dušik u donjem dijelu) u trans-pozicija, otuda i stereohemijska oznaka E:

E-1-bromo-1-kloro-2-nitroeten

Da bi se odredila stereohemijska oznaka strukture II, potrebno je tražiti razlike u „višim slojevima“. U prvom sloju grupe CH 3, C 2 H 5, C 3 H 7 se ne razlikuju. U drugom sloju CH 3 grupa ima zbir atomskih brojeva tri (tri atoma vodika), dok grupe C 2 H 5 i C 3 H 7 imaju po 8. To znači da se CH 3 grupa ne razmatra - mlađi je od druga dva. Dakle, starije grupe su C 2 H 5 i C 3 H 7, u cis-pozicija; stereohemijska oznaka Z.

Z-3-metilhepten-3

Ako bi bilo potrebno odrediti koja je grupa starija - C 2 H 5 ili C 3 H 7, trebalo bi ići na atome "trećeg sloja"; zbir atomskih brojeva u ovom sloju za obje grupe bio bi jednak do 3 i 8, odnosno, tj. C3H7 je stariji od C2H5. U složenijim slučajevima određivanja prvenstva moraju se uzeti u obzir dodatni uslovi, kao što su: atom povezan dvostrukom vezom broji se dva puta, povezan trostrukom vezom - tri puta; Od izotopa stariji je teži (deuterijum je stariji od vodonika) i neki drugi.

Imajte na umu da je oznaka Z Ne su sinonimi cis- oznake, poput oznaka E, ne odgovaraju uvijek lokaciji trans-, Na primjer:

cis- 1,2-dihloropropen-1 cis- 1,2-dihloro-1-bromopropen-1

Z-1,2-dikloropropen-1 E-1,2-dihloro-1-bromopropen-1

Kontrolni zadaci

1. Bombikol - feromon (seksualni atraktant) svilene bube - je E-10-Z-12-heksadekadienol-1. Nacrtajte njegovu strukturnu formulu.

2. Imenujte sljedeća jedinjenja koristeći Z,E nomenklaturu:

II.3. optički izomerizam (enantiomerizam)

Među organskim jedinjenjima postoje tvari koje mogu rotirati ravan polarizacije svjetlosti. Ovaj fenomen se naziva optička aktivnost, a odgovarajuće supstance jesu optički aktivna . Optički aktivne supstance se javljaju u paru optički antipodi - izomeri, čija su fizička i hemijska svojstva identična u normalnim uslovima, sa izuzetkom jedne stvari - znaka rotacije ravni polarizacije. (Ako jedan od optičkih antipoda ima, na primjer, specifičnu rotaciju [NAPOMENA 1] +20 o, onda drugi ima specifičnu rotaciju od -20 o).

II.4. Projekcione formule

Da biste konvencionalno prikazali asimetrični atom na ravni, koristite projekcijske formule E. Fishera . Dobivaju se projektiranjem na ravan atoma s kojima je asimetrični atom povezan. U ovom slučaju, sam asimetrični atom se obično izostavlja, zadržavajući samo linije koje se seku i simbole supstituenta. Da bi se zapamtio prostorni raspored supstituenata, u projekcijskim formulama se često čuva isprekidana vertikalna linija (gornji i donji supstituenti se uklanjaju izvan ravnine crteža), ali to se često ne radi. Ispod su različiti načini za pisanje formule za projekciju koja odgovara lijevom modelu na prethodnoj slici:

Evo nekoliko primjera formula za projekciju:

(+)-alanin (-)-butanol (+)-gliceraldehid

Nazivi supstanci ukazuju na njihove znakove rotacije: to znači, na primjer, da lijevoruki antipod butanola-2 ima prostorna konfiguracija , precizno izražen gornjom formulom, a njegov odraz u ogledalu odgovara desnorotacionom butanolu-2. Definicija konfiguracije optički antipodi izvedeni su eksperimentalno [NAPOMENA 3].

U principu, svaki optički antipod se može prikazati sa dvanaest (!) različitih formula za projekciju - ovisno o tome kako je model pozicioniran tokom projekcije i s koje strane ga gledamo. Za standardizaciju projekcijskih formula uvedena su određena pravila za njihovo pisanje. Dakle, glavna funkcija, ako je na kraju lanca, obično se postavlja na vrh, glavni lanac je prikazan okomito.

Da biste uporedili „nestandardne“ pisane formule za projekcije, morate znati sljedeća pravila za transformaciju projekcijskih formula.

1. Formule se mogu rotirati za 180° u ravni crteža bez promjene njihovog stereohemijskog značenja:

2. Dva (ili bilo koji paran broj) preuređivanja supstituenata na jednom asimetričnom atomu ne mijenjaju stereohemijsko značenje formule:

3. Jedna (ili bilo koji neparan broj) permutacija supstituenata u asimetričnom centru dovodi do formule za optički antipod:

4. Rotacija za 90° u ravni crtanja pretvara formulu u antipodealnu, osim ako se istovremeno ne promeni uslov za lokaciju supstituenata u odnosu na ravan crtanja, tj. nemojte uzeti u obzir da se sada bočni supstituenti nalaze iza ravnine crtanja, a gornji i donji ispred nje. Ako koristite formulu s isprekidanom linijom, tada će vas promijenjena orijentacija isprekidane linije direktno podsjetiti na ovo:

6. Formule za projekciju se ne mogu izvesti iz ravni crteža (tj. ne možete ih, na primjer, pregledati „na svjetlu“ sa poleđine papira - u ovom slučaju će se promijeniti stereohemijsko značenje formule).

II.5. Racemati

Ako formula tvari sadrži asimetričan atom, to ne znači da će takva tvar imati optičku aktivnost. Ako u toku normalne reakcije nastane asimetrični centar (supstitucija u CH 2 grupi, adicija na dvostrukoj vezi, itd.), tada je vjerovatnoća stvaranja obje antipodne konfiguracije ista. Stoga, unatoč asimetriji svakog pojedinačnog molekula, rezultirajuća supstanca se ispostavlja optički neaktivnom. Ova vrsta optički neaktivne modifikacije, koja se sastoji od jednake količine oba antipoda, naziva se racemati [NAPOMENA 4] .

II.6. Diastereomerism

Jedinjenja sa nekoliko asimetričnih atoma imaju važne karakteristike koje ih razlikuju od prethodno razmatranih jednostavnijih optički aktivnih supstanci sa jednim centrom asimetrije.

Pretpostavimo da u molekulu određene supstance postoje dva asimetrična atoma; Nazovimo ih uslovno A i B. Lako je vidjeti da su moguće molekule sa sljedećim kombinacijama:

Molekuli 1 i 2 su par optičkih antipoda; isto važi i za par molekula 3 i 4. Ako uporedimo molekule iz različitih parova antipoda - 1 i 3, 1 i 4, 2 i 3, 2 i 4 - međusobno, onda ćemo videti da su navedeni parovi nisu optički antipodi: konfiguracija jednog asimetričnog atoma je ista, konfiguracija drugog nije ista. Ovo su sve parovi dijastereomeri , tj. prostorni izomeri, Ne koji međusobno čine optičke antipode.

Primjer jedinjenja ove vrste je kloromalna kiselina

Njegovi stereoizomerni oblici imaju sljedeće projekcijske formule:

eritro- forme tro- forme

Dva eritro- izomeri su par optičkih antipoda; kada se pomešaju, formira se racemat. Par optičkih izomera su i tro- forme; oni također proizvode racemat kada se miješaju, koji se po svojstvima razlikuje od racemata eritro- forme. Dakle, postoje ukupno četiri optički aktivna izomera kloromalne kiseline i dva racemata.

Daljnjim povećanjem broja asimetričnih centara povećava se broj prostornih izomera, a svaki novi asimetrični centar udvostručuje broj izomera. Određuje se formulom 2 n, gdje je n broj asimetričnih centara.

Formula I je identična formuli Ia: pretvara se u nju kada se rotira za 180° u ravnini crteža i stoga ne predstavlja novi stereoizomer. Ovo je optički neaktivna modifikacija - meso form . Za razliku od racemata, koji se može podijeliti na optički antipodi, mezo- oblik je u osnovi neuništiv: svaki od njegovih molekula ima jedno asimetrično središte jedne konfiguracije, a drugo - suprotno. Kao rezultat, dolazi do intramolekularne kompenzacije rotacije oba asimetrična centra.

mezo- Sve optički aktivne supstance imaju oblike sa nekoliko identičnih (tj. povezanih sa identičnim supstituentima) asimetričnih centara [NAPOMENA 6]. Projekcione formule mezo- forme se uvijek mogu prepoznati po tome što se uvijek mogu podijeliti vodoravnom linijom na dvije polovine, koje su, kada su napisane na papiru, formalno identične, ali se u stvarnosti ogledaju:

Formule II i III prikazuju optičke antipode vinske kiseline; kada se pomiješaju, nastaje optički neaktivan racemat - grožđana kiselina.

II.7. Nomenklatura optičkih izomera

Najjednostavniji, najstariji, ali i dalje u upotrebi sistem nomenklature optičkih antipoda zasniva se na poređenju projekcijske formule nazvanog antipoda sa projekcijskom formulom određene standardne supstance izabrane kao „ključ“. Dakle, za alfa hidroksi kiseline i alfa amino kiseline, ključ je gornji dio njihove projekcijske formule (u standardnoj notaciji):

L- hidroksi kiseline (X = OH) D- hidroksi kiseline (X = OH)

L-aminokiseline (X = NH 2) D- aminokiseline (X = NH 2)

Konfiguracija svih alfa-hidroksi kiselina koje imaju hidroksilnu grupu na lijevoj strani u standardnoj pisanoj formuli Fischerove projekcije označena je znakom L; ako se hidroksil nalazi u formuli projekcije na desnoj strani - znak D[NAPOMENA 7] .

Ključ za označavanje konfiguracije šećera je gliceraldehid:

L-(-)-gliceraldehid D-(+)-gliceraldehid

U molekulima šećera oznaka D- ili L- odnosi se na konfiguraciju niže asimetrično središte.

Da bi se odredila R- ili S-konfiguracija optičkog antipoda, potrebno je rasporediti tetraedar supstituenata oko asimetričnog atoma ugljika na način da najniži supstituent (obično vodik) ima pravac „daleko od posmatrača“. Tada ako dođe do pomicanja u krugu tri preostala supstituenta od najstarijeg do prosječnog po stažu, a zatim do najmlađeg u smjeru suprotnom od kazaljke na satu - Ovo R -izomer (povezan sa istim pokretom ruke prilikom pisanja slova R), ako u smjeru kazaljke na satu - Ovo S- izomer (povezan sa istim pokretom ruke prilikom pisanja slova S).

Za određivanje senioriteta supstituenata na asimetričnom atomu koriste se pravila za izračunavanje atomskih brojeva, koja smo već razmatrali u vezi sa Z,E nomenklaturom geometrijskih izomera (vidi).

Kontrolni zadaci

3. Odredite konfiguraciju asimetričnog centra askorbinske kiseline (vitamina C) (po R,S-nomenklatura i u poređenju sa gliceraldehidom):

4. Alkaloid efedrin ima formulu:

Dajte naziv za ovu vezu koristeći R,S- nomenklatura.

5. Cistein - neesencijalna aminokiselina uključena u regulaciju metaboličkih procesa, je L-1-amino-2-merkaptopropionska kiselina. Nacrtajte njegovu strukturnu formulu i dajte mu ime R,S- nomenklatura.

6. Levomicetin (antibiotik širokog spektra) je D(-)-treo-1-p-nitrofenil-2-dihloroacetilamino-propandiol-1,3. Nacrtajte njegovu strukturu u obliku formule Fischer projekcije.

7. Synestrol je sintetički estrogenski lijek sa nesteroidnom strukturom. Navedite njegovo ime koje ukazuje na njegovu stereohemijsku konfiguraciju:

II.8. Stereohemija cikličkih jedinjenja

Kada se lanac ugljikovih atoma zatvori u planarni ciklus, uglovi veze atoma ugljika su prisiljeni da odstupe od njihove normalne tetraedarske vrijednosti, a veličina ovog odstupanja ovisi o broju atoma u ciklusu. Što je veći ugao devijacije valentnih veza, veća je rezerva energije molekula, manje je stabilan ciklus. Međutim, samo tročlani ciklični ugljovodonik (ciklopropan) ima ravnu strukturu; Počevši od ciklobutana, molekuli cikloalkana imaju neplanarnu strukturu, što smanjuje „napetost“ u sistemu.

Molekula cikloheksana može postojati u nekoliko konformacija u kojima se zadržavaju "normalni" uglovi veze (radi jednostavnosti, prikazani su samo atomi ugljika):

Energetski najpovoljnija konformacija je konformacija I - tzv "fotelje". konformacija II - "twist" - zauzima srednju poziciju: nepovoljnija je od konformacije stolice (zbog prisustva zamračenih atoma vodonika u njoj), ali je povoljnija od konformacije III. konformacija III - "kupatilo" - najnepovoljniji od tri zbog značajnog odbijanja atoma vodonika usmjerenih prema gore.

Razmatranje dvanaest C-H veza u konformaciji stolice omogućava nam da ih podijelimo u dvije grupe: šest aksijalni veze usmjerene naizmjenično gore-dolje, i šest ekvatorijalni veze usmjerene na strane. U monosupstituiranim cikloheksanima, supstituent može biti u ekvatorijalnom ili aksijalnom položaju. Ove dvije konformacije su obično u ravnoteži i brzo prelaze jedna u drugu kroz konformaciju uvijanja:

Ekvatorijalna konformacija (e) je obično siromašnija energijom i stoga je povoljnija od aksijalne konformacije (a).

Kada se supstituenti (bočni lanci) pojave u prstenovima, pored problema konformacije samog prstena, istraživač se suočava i sa problemima konfiguracije supstituenta : dakle, u slučaju prisustva dva identična ili različita supstituenta, cis-trans-izomer. Imajte na umu da se govori o cis-trans-konfiguracija supstituenata ima smisla samo kada se primjenjuje na zasićene male i srednje prstenove (do C 8): u prstenovima sa velikim brojem jedinica, mobilnost postaje toliko značajna da se raspravlja o cis- ili trans- pozicije poslanika gube smisao.

Dakle, klasičan primjer su stereoizomerne ciklopropan-1,2-dikarboksilne kiseline. Postoje dvije stereoizomerne kiseline: jedna od njih ima t.t. 139 o C, sposoban je da formira ciklički anhidrid i stoga je cis-izomer. Druga stereoizomerna kiselina t.t. 175 o C, ne stvara ciklički anhidrid; Ovo trans-izomer [NAPOMENA 10]:

Dvije stereoizomerne 1,2,2-trimetilciklopentan-1,3-dikarboksilne kiseline su u istoj vezi jedna s drugom. Jedna od njih, kamforna kiselina, t.t. 187 o C, formira anhidrid i, prema tome, jeste cis-izomer. Druga je izokamforna kiselina, t.t. 171 o C, - ne formira anhidrid, ovo trans-izomer:

cis-trans-

Iako molekula ciklopentana zapravo nije planarna, radi jasnoće je zgodno prikazati je u ravnom obliku, kao na gornjoj slici, imajući na umu da u cis- izomer ima dva supstituenta na jednoj strani ciklusa , i u trans-izomer - na suprotnim stranama ciklusa .

Disupstituirani derivati cikloheksana također mogu postojati u cis ili trans obliku:

U ovim spojevima, centar asimetrije ima tetraedarsku konfiguraciju, poput asimetričnog atoma ugljika. Postoje, međutim, i spojevi s različitom prostornom strukturom kiralnog centra.

Kiralni centri formirani od atoma trovalentnog dušika, fosfora, arsena, antimona i sumpora imaju piramidalnu konfiguraciju. U principu, centar asimetrije se može smatrati tetraedarskim ako se usamljeni elektronski par heteroatoma uzme kao četvrti supstituent:

Može se javiti i optička aktivnost bez kiralnog centra, zbog kiralnosti strukture cijele molekule u cjelini ( molekularna kiralnost ili molekularna asimetrija ). Najtipičniji primjeri su prisustvo kiralna os ili kiralna ravan .

Kiralna os se pojavljuje, na primjer, u alenima koji sadrže različite supstituente na sp 2-hibridnih atoma ugljika. Lako je vidjeti da su jedinjenja ispod zrcalne slike, a samim tim i optički antipodi:

Os kiralnosti je na slikama prikazana strelicom.